Halogeneringsreaktioner

En halogenerande reaktion inträffar när en eller flera fluor-, klor-, bromatom- eller jodatomer ersätter väteatomer i en organisk förening. Reaktivitetsordningen är fluor > klor > brom > jod. Fluor är särskilt aggressivt och kan reagera våldsamt med organiska material. Det tenderar också att göra de mest stabila av de organiska halogenerna och det är svårt att avlägsna en fluoratom när den väl har tillsatts. Omvänt är jod svårare att tillsätta till en organisk molekyl, men när en jodorganisk bildas avlägsnas jodatomen lätt. Således är halogenatomens elektronegativitet en drivkraft för halogeneringsreaktioner. Reaktionerna beror också på vilken typ av substratmolekyl som halogeneras.

Halogeneringar sker genom flera olika processer beroende på substratet: mättade kolväten halogenerar via en process med fria radikaler; omättade organiska ämnen halogenat via en additionsreaktion; Aromatiska halogenerat via elektrofil substitution. 

Halogeneringsreaktioner är viktiga i både bulk- och finkemisk syntes och de produkter och intermediärer som genereras via halogenering är väl representerade i läkemedel, polymerer och plaster, köldmedier, bränsletillsatser, brandskyddsmedel, jordbruksprodukter etc.

Som exempel i läkemedel kan fluor- eller kloratomer som tillsätts till en molekyl öka potentialen för dess terapeutiska aktivitet. Dessutom är organobromider och organjodorganiska mycket användbara som intermediära föreningar, vilket ger ett sätt att lägga till funktionella grupper till ett substrat, samt möjliggör syntes av mer komplexa strukturer. Som exempel kan en C-Cl- eller C-Br-bindning hydrolyseras till alkoholer som i sin tur kan oxideras för att ge ketoner, aldehyder och syror. Genom elimineringsreaktioner kan dubbelbindningar bildas. Bromering av organiska föreningar är ofta ett viktigt steg mot att bilda ett Grignard-reagens, som erbjuder en syntetisk väg för att bygga C-C-bindningar. Alkylering av aromatiska ringar via Friedel-Crafts-reaktionen är allmänt tillämplig och alkylhalogenider är kritiska reagenser för denna reaktion

Vissa viktiga kommersiella kemikalier och produkter är resultatet av halogenerande reaktioner. I ett klassiskt exempel fluoreras kloroform för att bilda klordifluormetan, som sedan omvandlas till fluoreten och polymeriseras för att ge PTFE. Ett annat exempel är tillsats av halogenering av etylen med klor för att bilda dikloretan, som sedan polymeriseras för att ge PVC.

Halogeneringsreaktioner kan kräva en katalysator för att öka halogenens elektrofilicitet. Som ett exempel kräver elektrofila substitutionsreaktioner av aromatiska föreningar en katalysator. Eftersom brom och klor inte är tillräckligt elektrofila i sig själva för att orsaka substitution av vätet, kräver de närvaro av en Lewis-syra. Således är typiska katalysatorer för halogenering av aromatiska ringar som exempel AlCl3 eller AlBr3. I närvaro av Lewis-syran blir bindningen av halogenen mer polariserad och den förbättrade positivt laddade halogenen är en mycket starkare elektrofil.

Fluorering av aromater kräver ingen katalysator eftersom fluor är en så stark elektrofil och denna reaktion kan vara mycket energisk. Det är svårt att kontrollera hur mycket fluorsubstitution som sker och mer än en fluoratom kan halogenera den aromatiska ringen. För att jod ska kunna ersätta en aromatisk ring är metallhalogenider inte effektiva katalysatorer, men ett oxidationsmedel som salpetersyra omvandlar jod till HIO3 och möjliggör jodisering av bensen.

Halogeneringar är exceptionellt användbara reaktioner och omfattar ett brett användningsområde inom syntetisk kemi. Några exempel: Klorering, bromering och jodisering av aldehyder och ketoner i α-position är okomplicerad, även om den reaktionen med fluor inte är möjlig. Halogenering av α-väte i karboxylsyror med brom eller klor kan ske via Zell-Volhard-Zelinsky-reaktionen, men en katalysator såsom P eller PBr3 är nödvändig. Ju lättare det är att enolisera ett substrat, desto lättare är det att halogenera det. Av denna anledning genomgår alla acylhalogenider, anhydrider, maloniska estrar α-halogenering utan behov av katalysator. Hoffmans omfördelningsreaktion använder brom för att omvandla amider till aminer. Aromatiska ringar kan bromeras eller kloreras men kräver en katalysator som Fe (egentligen FeCl3) eller AlCl3 eller AlBr3. Fluor i sig är för aggressivt för fluorerande aromater, men det finns reagenser som ClO3F som kan användas för att fluorera vissa substrat som fenoler. I allmänhet halogenerar brom och klor lätt föreningar med dubbel- och trippelbindningar.

Även om halogenering med X2 eller HX används är dessa molekyler ofta giftiga, frätande och svåra att hantera. Som exempel är fluor och HF otroligt frätande, reaktiva, orsakar oönskade biverkningar och är i allmänhet svåra att arbeta med och att kontrollera reaktionsotermicitet. Av denna anledning har föreningar utvecklats som kan ge en fluoratom men som är mer stabila och kontrollerbara. Som ett exempel är dietylaminosvaveltrifluorid (DAST) ett stabilt fast ämne som omvandlar alkoholer, aldehyder och ketoner till motsvarande organofluorid och är mycket säkrare och bekvämare att använda än fluor- eller svaveltetrafluoridgaser. Reagenser som SOCl2 och PCl5 används för att producera organiska klorföreningar från motsvarande alkoholer och, som i fallet med fluor, lättare att använda och kontrollera reaktioner än med elementärt klor. Som ett alternativ till brom används N-bromosuccinimid (NBS) i stor utsträckning för att bromera en alken. 

Halogeneringar kan vara mycket energirika och är känsliga för fukt och luft. Dessutom är reaktionsutbyte och selektivitet en funktion av substratet, halogenerande reagens, reaktionstemperatur och andra variabler. Denna kombination av krav gör behovet av in situ-analys och exakt kontroll till ett viktigt mål vid halogeneringar.

Att förstå kinetiken och termodynamiken för halogeringar är viktigt för att uppnå produkt- och säkerhetsmålen och detta gäller särskilt när man skalar upp en reaktion.Automatiserade laboratoriereaktorer som EasyMax och RC1 har viktiga roller för att säkerställa att reaktionsenergin är väl förstådd och att effekten av variabler på reaktionsprestanda är väl modellerad. ReactIR och ReactRaman in-situ spektroskopiska teknologier är mycket användbara för att spåra och övervaka viktiga reaktionsarter som ger både kinetisk och mekanistisk information. Halogeneringar genererar ofta intermediärer och biprodukter och att känna till effekten av reaktionsvariabler på genereringen av dessa arter hjälper till att säkerställa reaktionsprestanda och säkerhet. Ingenjörer och kemister använder kombinationen av automatiserade laboratoriereaktorer tillsammans med spektroskopiska sonder på plats för att säkerställa prestanda och säkerhet för halogeneringar.

Utforska mer teknik för halogeneringreaktioner.